JP2004276380A

JP2004276380A - Method for forming liquid ejection head and method for forming film

Info

Publication number: JP2004276380A
Application number: JP2003070085A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Miyamoto; 孝章宮本; Osamu Tateishi; 修立石
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form thin films of the same composing materials and different composition ratios such as a heating element and a cavitation resistant layer of a printer head by sputtering using one kind of a target in an application to, for example, an inkjet printer by a thermal system. <P>SOLUTION: The liquid discharging head 11 is configured to eject liquid droplets of a liquid from predetermined nozzles by heating the liquid held in a liquid chamber through driving of a heating element 20. Moreover, the heating element and a protecting layer 26 provided at a face of the heating element side of the liquid chamber to protect the heating element are formed by sputtering using the targets of the same composing materials and the same composition ratio of the composing materials while a distance L to the target is made different. The heating element and the protecting layer 26 are formed of the same composing materials by desired different composition ratios of the composing materials. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体吐出ヘッドの作成方法及び成膜方法に関し、例えばサーマル方式によるインクジェットプリンタに適用することができる。本発明は、基板及びターゲットの間隔を異ならせて構成材料の組成比を変化させることにより、一種類のターゲットを用いたスパッタリングにより、プリンタヘッドの発熱素子、耐キャビテーション層のように、構成材料が同一であって組成比が異なる薄膜を成膜することができるようにする。
【０００２】
【従来の技術】
近年、画像処理等の分野において、ハードコピーのカラー化に対するニーズが高まってきている。このニーズに対して、従来、昇華型熱転写方式、溶融熱転写方式、インクジェット方式、電子写真方式及び熱現像銀塩方式等のカラーコピー方式が提案されている。
【０００３】
これらの方式のうちインクジェット方式は、液体吐出ヘッドであるプリンタヘッドに設けられたノズルから記録液（インク）の液滴を飛翔させ、記録対象に付着してドットを形成するものであり、簡易な構成により高画質の画像を出力することができる。このインクジェット方式は、ノズルからインク液滴を飛翔させる方法の相違により、静電引力方式、連続振動発生方式（ピエゾ方式）及びサーマル方式に分類される。
【０００４】
これらの方式のうちサーマル方式は、インクの局所的な加熱により気泡を発生し、この気泡によりインクをノズルから押し出して印刷対象に飛翔させる方式であり、簡易な構成によりカラー画像を印刷することができるようになされている。
【０００５】
このようなサーマル方式によるプリンタヘッドは、インクを加熱する発熱素子が発熱素子を駆動するロジック集積回路による駆動回路と共に一体に半導体基板上に形成され、これにより発熱素子を高密度に配置して確実に駆動できるようになされている。このためこの種のプリンタヘッドは、半導体製造プロセスを利用して作成され、この発熱素子がタンタル（Ｔａ）（１７０〜１８０〔μΩ−ｃｍ〕）、タンタルアルミニウム（ＴａＡｌ）（２７０〜２８０〔μΩ−ｃｍ〕）又は窒化タンタル（ＴａＮｘ）（２７０〜２８０〔μΩ−ｃｍ〕）による抵抗体膜により作成されるようになされている。またこの発熱素子の上層に、窒化シリコンＳｉ_３Ｎ_４による保護層、β−タンタル層（正方晶構造のタンタル層）による耐キャビテーション層が順次作成されて、インクを保持するインク液室が設けられるようになされている。
【０００６】
ここで窒化シリコンＳｉ_３Ｎ_４による保護層は、発熱素子を電源、駆動回路に接続する配線層の絶縁層間膜としても機能するようになされている。これに対して耐キャビテーション層は、発熱素子の駆動によりインク液室で発生した気泡が消泡する際の機械的衝撃（キャビテーション）を吸収緩和し、さらにはインク液室に保持したインクと発熱素子との直接の接触を防止して、インク成分による抵抗体膜の化学変化を防止するようになされている。
【０００７】
これら窒化シリコンＳｉ_３Ｎ_４による保護層、β−タンタル層による耐キャビテーション層は、厚みを厚くした方が、プリンタヘッドとしての信頼性を向上し得るものの、厚みを厚くすると発熱素子の熱を効率良くインク液室に伝導し得なくなる。このため一般に、窒化シリコンＳｉ_３Ｎ_４による保護層は、０．１５〜０．１６〔μｍ〕の膜厚により作成され、β−タンタル層による耐キャビテーション層は、０．２〔μｍ〕程度の膜厚により作成されるようになされている。
【０００８】
またβ−タンタル層においては、圧縮応力が１．０〜２．０×１０^１０〔ｄｙｎｅｓ／ｃｍ^２〕である高い圧縮応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｓｓ）を有する膜であることにより、窒化シリコンＳｉ_３Ｎ_４による保護層、β−タンタル層による耐キャビテーション層においては、下層の窒化シリコンＳｉ_３Ｎ_４による保護層に強い応力が加わり、この保護層にクラック（亀裂）が発生する場合がある。このようなクラックが発生すると、プリンタヘッドでは、このクラックからインク液室のインクが侵入し、このようにして侵入したインクを介して配線パターンがショートしたり、発熱素子が腐食断線する。
【０００９】
このため特開平６−２７７１３号公報においては、β−タンタル層による耐キャビテーション層を膜厚０．７〜２．０〔μｍ〕により作成する場合に、耐キャビテーション層の応力を１．０×１０^８〜１．０×１０^１０〔ｄｙｎｅｓ／ｃｍ^２〕に設定して、このようなクラックの発生を防止する方法が開示されるようになされている。
【００１０】
これに対して特許第２８１０７５９号、特開２００１−８００７７号公報においては、発熱素子をタンタルアルミニウムにより作成する場合に、アルミニウムの含有量を４０〜６０〔ａｔ％〕として、アモルファス状態により作成することが提案されるようになされている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−２７７１３号公報
【特許文献２】
特許第２８１０７５９号
【特許文献３】
特開２００１−８００７７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの種の耐キャビテーション層においては、発熱素子の抵抗体膜と同様に、スパッタリングにより作成され、スパッタリングにより作成するβ−タンタル層においては、直流パワー、圧力、アルゴンガス流量等の成膜条件を種々に設定しても、応力を変化させることが困難であり、これにより所望する膜厚によっては、クラックの発生を完全に防止し得ないことが判った。
【００１３】
これにより種々に検討した結果、アルミニウムの含有量を３０〔ａｔ％〕以下として、β−タンタルによる結晶粒界の間に、アルミニウムが存在する構造のタンタルアルミニウムにより耐キャビテーション層を作成すれば、下層の保護層への応力を小さくし得、クラックの発生を防止し得ることが判った。
【００１４】
これにより発熱素子及び耐キャビテーション層の双方をタンタルアルミニウムにより作成すれば、その分、プリンタヘッドの製造工程を簡略化し得ると考えられる。
【００１５】
しかしながらこの場合、耐キャビテーション層においては、アルミニウムの含有量を３０〔ａｔ％〕以下としてβ−タンタルによる結晶粒界の間にアルミニウムが存在する構造により作成することが必要なのに対し、発熱素子においては、アルミニウムの含有量を３０〜６０〔ａｔ％〕としてアモルファス状態により作成することが必要になる。
【００１６】
これにより結局、発熱素子及び耐キャビテーション層の双方をタンタルアルミニウムにより作成するようにしても、スパッタリングによりこれらを作成する場合には、それぞれ発熱素子及び耐キャビテーション層の組成に対応するターゲットを用意しなければならない問題がある。すなわちスパッタリングのターゲットにおいては、成膜目標の組成比に応じた組成比により各材料の粉体を混合、焼結して作成されることにより、このように成膜目標の組成比が異なる場合、それぞれ発熱素子及び耐キャビテーション層の成膜に、専用のターゲットが必要になる。
【００１７】
この問題を解決する１つの方法として、いわゆるコスパッタ法を適用することが考えられる。すなわちこの場合、タンタルとアルミニウムとの２つのターゲットを用意し、各ターゲットによるスパッタ量を可変することにより、それぞれ発熱素子及び耐キャビテーション層に求められる組成比によりタンタルアルミニウムを成膜し、これにより発熱素子及び耐キャビテーション層の２つの成膜に共通のターゲットを使用できると考えられる。
【００１８】
しかしながらこのコスパッタ法においては、同時に２つのターゲットをスパッタリングするためにダストが発生し易く、このようなダストにあっては、半導体製造プロセスを利用したプリンタヘッドの製造工程において、極力、発生を防止しなければならない。
【００１９】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、一種類のターゲットを用いたスパッタリングにより、プリンタヘッドの発熱素子、耐キャビテーション層のように、構成材料が同一であって組成比が異なる薄膜を成膜することができる成膜方法、この成膜方法を用いた液体吐出ヘッドの作成方法を提案しようとするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため請求項１の発明においては、発熱素子の駆動により液室に保持した液体を加熱して所定のノズルから液体の液滴を飛び出させる液体吐出ヘッドの作成方法に適用して、構成材料及び構成材料の組成比が同一のターゲットを用いた、ターゲットまでの距離を異ならせたスパッタリングにより、発熱素子と、液室の発熱素子側の面に設けられて発熱素子を保護する保護層とを、構成材料が同一で、構成材料の組成比が異なる所望の組成比により作成する。
【００２１】
また請求項５の発明においては、成膜方法に適用して、所定のターゲットを用いたスパッタリングにより所定の基板に第１の組成比による第１の薄膜を成膜し、ターゲットと構成材料及び構成材料の組成比が同一のターゲットを用いたスパッタリングであって、第１の薄膜におけるスパッタリングに比して基板及びターゲット間の間隔に異ならせたスパッタリングにより、第１の組成比と異なる第２の組成比による第２の薄膜を成膜する。
【００２２】
スパッタリングによる成膜においては、一定の範囲以上、ターゲットと基板との間隔を大きくすると、この間隔の増大により質量の小さな構成材料の含有量が小さくなって成膜される。これにより請求項１の構成により、液体吐出ヘッドの作成方法に適用して、構成材料及び構成材料の組成比が同一のターゲットを用いた、ターゲットまでの距離を異ならせたスパッタリングにより、発熱素子と、液室の発熱素子側の面に設けられて発熱素子を保護する保護層とを、構成材料が同一で、構成材料の組成比が異なる所望の組成比により作成すれば、一種類のターゲットを用いて、構成材料が同一であって組成比が異ってなる発熱素子、保護層を作成することができる。
【００２３】
またこれにより請求項５の構成によれば、一種類のターゲットを用いて、構成材料が同一であって組成比が異ってなる第１及び第２の薄膜を成膜することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳述する。
【００２５】
（１）実施の形態の構成
図２は、本発明の実施の形態に係るプリンタに適用されるプリンタヘッドを示す断面図である。プリンタヘッド１１は、Ｎ型シリコン基板による半導体ウエハに複数ヘッド分の駆動回路、発熱素子等が作成された後、各ヘッドチップにスクライビング処理され、各ヘッドチップにインク液室等を作成して形成される。
【００２６】
すなわちプリンタヘッド１１においては、図３（Ａ）に示すように、シリコン基板１２を洗浄した後、シリコン窒化膜を堆積し、リソグラフィー工程、リアクティブイオンエッチング工程により余分なシリコン窒化膜が除去され、これにより半導体素子１３、１４の作成領域にシリコン窒化膜によるマスクが作成される。また続く熱酸化処理により、半導体素子１３、１４の作成領域以外の部位に、素子分離領域（ＬＯＣＯＳ：ＬｏｃａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎＯｆＳｉｌｉｃｏｎ）１５が形成される。なお素子分離領域は、膜厚５００〔ｎｍ〕により熱シリコン酸化膜が作成され、後のエッチング処理により膜厚が薄くなり、最終的に膜厚２６０〔ｎｍ〕により作成される。
【００２７】
このようにして素子分離領域１５が作成されると、続いてプリンタヘッド１１は、シリコン基板１２が洗浄された後、トランジスタの作成領域にタングステンシリサイド／ポリシリコン／熱酸化膜構造のゲートが作成される。さらにソースドレインの作成領域がイオン注入工程、熱処理工程により処理され、これによりＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型によるトランジスタ１３、１４等が作成される。なおここでトランジスタ１３は、１８〔Ｖ〕程度の耐圧を有するＭＯＳ型ドライバートランジスタであり、発熱素子の駆動に供するものである。これに対してトランジスタ１４は、このトランジスタ１３を制御する集積回路を構成するトランジスタであり、５〔Ｖ〕の電圧により動作するものである。なおこの実施の形態においては、ゲート／ドレイン間に低濃度の拡散層が形成され、その部分で加速される電子の電界を緩和することで耐圧を確保してトランジスタ１３が形成されるようになされている。
【００２８】
続いてプリンタヘッド１１は、ＣＶＤ法によりリンが添加されたシリコン酸化膜であるＰＳＧ（ＰｈｏｓｐｈｏｒｕｓＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）膜、ボロンとリンが添加されたシリコン酸化膜であるＢＰＳＧ（ＢｏｒｏｎＰｈｏｓｐｈｏｒｕｓＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）膜が順次膜厚１００〔ｎｍ〕、５００〔ｎｍ〕により堆積され、これらにより１層目の層間絶縁膜１６が膜厚６００〔ｎｍ〕により形成される。
【００２９】
続いてフォトリソグラフィー工程の後、Ｃ_４Ｆ_８／ＣＯ／Ｏ_２／Ａｒ系ガスを用いたリアクティブイオンエッチングによりシリコン半導体拡散層（ソースドレイン）上にコンタクトホール１７が作成される。続いてプリンタヘッド１１は、希フッ酸により洗浄された後、スパッタリング法により、膜厚３０〔ｎｍ〕によるチタンコンタクトメタル膜（Ｔｉ）、膜厚７０〔ｎｍ〕による窒化酸化バリアメタル膜（ＴｉＯＮ）、膜厚３０〔ｎｍ〕によるチタンコンタクトメタル膜（Ｔｉ）が順次堆積される。さらにシリコンを１〔ａｔ％〕添加したアルミニウム又は銅を０．５〔ａｔ％〕添加したアルミニウムが膜厚５００〔ｎｍ〕により堆積され、反射防止膜としての窒化酸化チタン膜（ＴｉＯＮ）が膜厚２５〔ｎｍ〕により堆積される。プリンタヘッド１１は、これらにより第１層目の配線パターン層が作成され、続くフォトリソグラフィー工程、ドライエッチング工程により、この配線パターン層がパターニング処理されて１層目の配線パターン１８が作成される。プリンタヘッド１１は、このようにして作成された１層目の配線パターン１８により駆動回路を構成するＭＯＳ型トランジスタ１３、１４を接続してロジック集積回路が形成される。
【００３０】
続いてプリンタヘッド１１は、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン：Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）を原料ガスとしたＣＶＤ法により層間絶縁膜であるシリコン酸化膜が堆積される。続いてプリンタヘッド１１は、有機溶媒であるＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）を含む塗布型シリコン酸化膜を塗布した後、フッ素系ガスを用いたエッチバック処理により、シリコン酸化膜が平坦化され、これらの処理が２回繰り返されて１層目の配線パターン１８と続く２層目の配線パターンとを絶縁する２層目の層間絶縁膜１９が膜厚４４０〔ｎｍ〕のシリコン酸化膜により形成される。
【００３１】
続いてプリンタヘッド１１は、図３（Ｂ）に示すように、抵抗体膜が作成された後、この抵抗体膜のパターニングにより発熱素子２０が作成される。この実施の形態において、この抵抗体膜は、タンタルアルミニウムのターゲットを用いたスパッタリングによりタンタルとアルミニウムとの組成比が７：３のアモルファス状態により作成される。この実施の形態では、このターゲットが、後述する耐キャビテーション層を作成する際に使用されるターゲットと同一のターゲットであるタンタルとアルミニウムとの組成比が６：４であるターゲットが適用される。また図１（Ａ）の及び（Ｂ）に示すように、ターゲットＴと基板１２との間隔Ｌを６０〔ｍｍ〕以下に設定したスパッタリングにより抵抗体膜を成膜する。なお図１（Ａ）は、スパッタリング装置における基板とターゲットとの関係を示す概略断面図である。
【００３２】
すなわちこのようなタンタルアルミニウムによる合金ターゲットを用いたスパッタリングにおいては、タンタルとアルミニウムとで質量が異なることにより、タンタルとアルミニウムとでスパッタリング率が異なり、実際に成膜されるタンタルアルミニウムにおいては、アルミニウムの含有量がターゲットに比して少なくなる。具体的に、組成比５：５によるタンタルアルミニウムのターゲットを用いたスパッタリングにおいては、通常、アルミニウムの含有量が４０〔ａｔ％〕程度のタンタルアルミニウム膜が成膜される。
【００３３】
図１（Ｂ）に示す測定結果は、組成比６：４（アルミニウム含有量が４０〔ａｔ％〕）によるタンタルアルミニウムのターゲットを用いたスパッタリングにおいて、成膜されたタンタルアルミニウム膜における組成比を示すものであり、基板とターゲットの間隔Ｌが一定値以下の場合、間隔Ｌを変化させても組成比が一定の値となるのに対し、この間隔Ｌを一定値以上に広げると、質量の軽い側であるアルミニウムの含有量が距離Ｌに応じて少なくなることが判った。すなわち距離Ｌが６０〔ｍｍ〕、４５〔ｍｍ〕の場合では、タンタルとアルミニウムの組成比が７：３（アルミニウム含有量が３０〔ａｔ％〕）によりタンタルアルミニウム膜が成膜されるのに対し、距離Ｌが８０〔ｍｍ〕の場合、タンタルとアルミニウムの組成比が９：１（アルミニウム含有量が１０〔ａｔ％〕）によりタンタルアルミニウム膜が成膜される。
【００３４】
これにより距離Ｌを６０〔ｍｍ〕以下に設定した組成比６：４によるタンタルアルミニウムのターゲットを用いたスパッタリングにより、発熱素子に好適な組成比によりタンタルアルミニウム膜を成膜し得るのに対し、同一のターゲットを用いた距離８０〔ｍｍ〕によるスパッタリングにより、耐キャビテーション層に好適な組成比によるタンタルアルミニウム膜を成膜することができる。なお、図１（Ｂ）に示す組成比の測定は、電子プローブ微小検出法（ＥＰＭＡ）により、電子ビームを試料に照射して発生する特性Ｘ線を検出して実行した。
【００３５】
この実施の形態では、これらにより基板１２及びターゲットの間隔Ｌを６０〔ｍｍ〕以下に設定し、上述したターゲットを用いたスパッタリングにより、膜厚５０〜１００〔ｎｍ〕により抵抗体膜を成膜した。なおこの場合、直流パワーは、１〜４〔ｋＷ〕、基板温度は、１５０〜２５０度、アルゴンガス流量は、３０〜６０〔ｓｃｃｍ〕であり、成膜された抵抗体膜においては、比抵抗が２５０〜２８０〔μΩ−ｃｍ〕であった。またフォトリソグラフィー、ＢＣｌ_３／Ｃｌ_２系ガスを用いたドライエッチングにより、正方形形状に、又は一端を配線パターンにより接続するとした折り返し形状により、このようにして作成した抵抗体膜をパターニングし、発熱素子２０を作成する。なお抵抗体膜を膜厚５０〔ｎｍ〕により作成した場合、正方形形状による発熱素子２０においては、抵抗値が６０〔Ω〕となり、また一端を配線パターンにより接続するとした折り返し形状による場合には、膜厚を８０〔ｎｍ〕により作成して抵抗値は１４０〔Ω〕となった。
【００３６】
続いてプリンタヘッド１１は、図４（Ｃ）に示すように、ＣＶＤ法により膜厚３００〔ｎｍ〕による窒化シリコンが堆積されて、発熱素子２０を保護する保護層２１が形成される。
【００３７】
また続いて図４（Ｄ）に示すように、フォトリソグラフィー処理、ＣＨＦ_３／ＣＦ_４／Ａｒガスを用いたドライエッチング処理により保護層２１に接続孔を開口してビアホール２２が作成される。このときプリンタヘッド１１において、発熱素子２０は、配線パターンを接続する部位については保護層２１が取り除かれる。
【００３８】
続いてプリンタヘッド１１は、図５（Ｅ）に示すように、スパッタリング法により、膜厚２００〔ｎｍ〕によるチタン膜（Ｔｉ）を堆積した後、シリコンを１〔ａｔ％〕添加したアルミニウム又は銅を０．５〔ａｔ％〕添加したアルミニウムが膜厚６００〔ｎｍ〕により堆積され、反射防止膜としての窒化酸化チタン膜（ＴｉＯＮ）が膜厚２５〔ｎｍ〕により堆積される。プリンタヘッド１１は、これらにより第２層目の配線パターン層２３が作成され、続くフォトリソグラフィー工程、ＢＣｌ_３／Ｃｌ_２系ガスを用いたドライエッチング工程により、図５（Ｆ）に示すように、この配線パターン層２３がパターニング処理されて２層目の配線パターン２４が作成される。プリンタヘッド１１では、この２層目の配線パターン２４により発熱素子２０を電源に接続し、さらに発熱素子２０を駆動回路に接続するようになされている。また発熱素子２０上に取り残された窒化シリコンによる保護層２１においては、これら配線パターンを作成する際の保護層としても機能することになる。
【００３９】
続いてプリンタヘッド１１は、図６（Ｇ）に示すように、ＣＶＤ法により膜厚４００〔ｎｍ〕により窒化シリコンが堆積され、これにより発熱素子２０の上層にオーバーコート層としての保護層２５がさらに堆積される。
【００４０】
続いてプリンタヘッド１１は、ウエハ熱処理炉において、４％の水素を添加した窒素ガス（フォーミングガス）の雰囲気中で、又は１００％の窒素ガス雰囲気中で、４００度、６０分間の熱処理が実施される。これによりプリンタヘッド１１は、トランジスタ１３、１４の動作が安定化され、さらに１層目の配線パターン１８と２層目の配線パターン２４との接続が安定化されてコンタクト抵抗が低減される。
【００４１】
続いてプリンタヘッド１１は、図７（Ｈ）に示すように、スパッタリングにより耐キャビテーション層が作成される。ここでこの実施の形態においては、発熱素子の作成に供したタンタルとアルミニウムの組成比が６：４の合金ターゲットを用いて、基板１２とターゲットとの間隔Ｌを８０〔ｍｍ〕に設定し、これによりタンタルとアルミニウムの組成比が９：１であって、かつβ−タンタルによる結晶粒界の間にアルミニウムが存在する構造により、耐キャビテーション層の材料層を成膜する。なおこのようなターゲットと基板１２との間隔Ｌ以外については、上述した発熱素子作成時のスパッタリングと同一の条件に設定される。これによりこの実施の形態では、同一のターゲットを用いたスパッタリングにより、材料が同一であって組成比が異なる発熱素子、耐キャビテーション層を成膜して、その分、工程管理の簡略化等、種々の利便を図るようになされている。
【００４２】
なおこの実施の形態では、この耐キャビテーション層の材料層を膜厚１００〜２００〔ｎｍ〕により成膜した。また、図８に基板１２とターゲットとの間隔Ｌをそれぞれ４５〔ｍｍ〕、６０〔ｍｍ〕の場合との対比により示すように、この材料膜においては、膜応力が６３０〔ＭＰａ〕の圧縮応力であった。なおβ−タンタルの場合、膜応力は、９８０〔ＭＰａ〕の圧縮応力である。因みに、比抵抗は、１７０〜１８０〔μΩ−ｃｍ〕であった。
【００４３】
プリンタヘッド１１は、フォトリソグラフィー工程、ＢＣｌ_３／Ｃｌ_２系ガスを用いたドライエッチング工程により、このようにして成膜した耐キャビテーション層の材料層がパターニングされて耐キャビテーション層２６が作成される。
【００４４】
プリンタヘッド１１は、続いて図２に示すように、有機系樹脂によるドライフィルム３１が圧着により配置された後、インク液室３４、インク流路に対応する部位が取り除かれ、その後硬化され、これによりインク液室３４の隔壁、インク流路の隔壁等が作成される。
【００４５】
また続いて各チップにスクライビングされた後、ノズルプレート３５が積層される。ここでノズルプレート３５は、発熱素子２０の上に微小なインク吐出口であるノズル３６を形成するように所定形状に加工された板状部材であり、ドライフィルム３１上に接着により保持される。これによりプリンタヘッド１１は、ノズル３６、インク液室３４、このインク液室３４にインクを導くインク流路等が形成されて作成される。
【００４６】
（２）実施の形態の動作
以上の構成において、プリンタヘッド１１は、半導体基板であるＮ型シリコン基板１２に素子分離領域１５が作成されて半導体素子であるトランジスタ１３、１４が作成され、絶縁層１６により絶縁されてこれらトランジスタ１３、１４が配線パターン１８により接続されて駆動回路が作成される。また絶縁層１９を介して発熱素子２０が作成され、この発熱素子２０が配線パターン２４により駆動回路に接続された後、保護層２５、耐キャビテーション層２６、インク液室３４、ノズル３６が順次形成されて作成される（図２〜図７）。
【００４７】
このプリンタヘッド１１は、このようにして作成されたインク液室３４にインクが導かれ、トランジスタ１３、１４による発熱素子２０の駆動により、インク液室３４に保持したインクが加熱されて気泡が発生し、この気泡によりインク液室３４内の圧力が急激に増大する。プリンタでは、この圧力の増大によりインク液室３４のインクがインク液滴としてノズル３６から飛び出し、このインク液滴が対象物である用紙等に付着する。またこのような気泡の発生、消滅の繰り返しにより機械的な衝撃が発生し、インク液室３４の発熱素子２０側面に設けられた保護層である耐キャビテーション層２６により、発熱素子２０がこの衝撃から、さらにはインクから保護される。
【００４８】
プリンタヘッド１１は、この耐キャビテーション層２６が、アルミニウムの含有量を３０〔ａｔ％〕以下としてβ−タンタルによる結晶粒界の間にアルミニウムが存在する構造により作成され、これにより発熱素子２０の駆動の繰り返す場合にあってもインクに対する耐性を十分に確保することができるようになされ、また発熱素子２０との間に設けられた窒化シリコンによる保護層２１、２５においてクラックの発生を防止し得るようになされている。
【００４９】
また発熱素子２０においては、アルミニウムの含有量を３０〜６０〔ａｔ％〕としたアモルファス状態のタンタルアルミニウム膜により作成され、これにより駆動の繰り返しによっても十分な信頼性を確保し得るようになされている。なおこのようにして発熱素子を作成する場合、アルムニウムの含有量を多くした方が比抵抗を高くでき、発熱素子として望ましい。
【００５０】
またこのようにして発熱素子２０及び耐キャビテーション層２６を、構成材料が同一で、組成比が異なる薄膜により作成するようにして、構成材料及び組成比が同一のターゲットを用いたスパッタリングにより、ターゲットまでの距離を異ならせてこれら薄膜が成膜される。すなわちスパッタリングにおいては、この距離が一定以下の範囲においては、距離を可変してもターゲットの組成比に依存した一定の組成比により成膜されるのに対し、一定値以上距離を大きくすると、距離の増大に伴い質量の軽い構成材料の含有量が低下して成膜される。これによりこの実施の形態においては、一種類のターゲットを用いたスパッタリングにより、構成材料が同一であって組成比が異なる発熱素子、耐キャビテーション層を成膜し得るようになされ、その分、工程管理の利便等を図ることができるようになされている。
【００５１】
（３）実施の形態の効果
以上の構成によれば、基板及びターゲットの間隔を異ならせて構成材料の組成比を変化させることにより、一種類のターゲットを用いたスパッタリングにより、構成材料が同一であって組成比が異なる発熱素子、耐キャビテーション層を作成することができる。
【００５２】
（４）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、それぞれ組成比７：３及び９：１により発熱素子及び耐キャビテーション層を作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これら以外の組成比により作成する場合にも広く適用することができる。
【００５３】
また上述の実施の形態においては、組成比６：４による合金ターゲットを用いて発熱素子及び耐キャビテーション層を作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、この組成比以外の組成比によるターゲットを用いて発熱素子及び耐キャビテーション層を作成する場合にも広く適用することができる。因みに、タンタルとアルミニウムの組成比を５：５としたターゲットにより、ターゲットと基板との間隔を６０〔ｍｍ〕以下に設定すれば、さらにアルミニウムの含有量を増大させて発熱素子を作成することができる。
【００５４】
また上述の実施の形態においては、ターゲットと基板との間隔に対して組成比が変化する点に鑑み、単に、所望の組成比により成膜する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図８にターゲットと基板との間隔に対する膜応力の変化を示すように、間隔により膜応力も変化することにより、この関係を利用して膜応力の小さな耐キャビテーション層を作成することもできる。すなわちタンタルアルミニウム膜においては、間隔を８０〔ｍｍ〕から４５〔ｍｍ〕に変化させると、膜応力においては６３０〔ＭＰｓ〕から９０．５〔ＭＰｓ〕に急激に変化する。これにより耐キャビテーション層を、間隔４５〔ｍｍ〕によるスパッタリングで成膜した第１のタンタルアルミニウム膜と、間隔８０〔ｍｍ〕によるスパッタリングで成膜した第２のタンタルアルミニウム膜との積層構造として、第１のタンタルアルミニウム膜を応力緩和層として利用することができる。
【００５５】
また上述の実施の形態においては、発熱素子については、距離を変化させても組成比が変化しない範囲でスパッタリングする場合について述べたが、本発明はこれに限らず、さらにアルミニウムの含有量を増大させたターゲットを用いて、発熱素子及び耐キャビテーション層の双方を、距離の変化により組成比が変化する範囲でスパッタリングするようにしてもよい。
【００５６】
また上述の実施の形態においては、タンタルアルミニウム膜を作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、タンタルアルミニウム膜以外の薄膜を作成する場合にも広く適用することができる。
【００５７】
また上述の実施の形態においては、タンタル及びアルミニウムによる２種類の構成材料により薄膜を作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、３種類以上の構成材料により薄膜を作成する場合にも広く適用することができる。
【００５８】
また上述の実施の形態においては、本発明をプリンタヘッドに適用してインク液滴を飛び出させる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、インク液滴に代えて各種染料の液滴、保護層形成用の液滴等を飛び出させる液体吐出ヘッド、さらには液滴が試薬等であるマイクロディスペンサー、各種測定装置、各種試験装置、液滴がエッチングより部材を保護する薬剤である各種のパターン描画装置等に広く適用することができる。
【００５９】
また上述の実施の形態においては、本発明をプリンタヘッドに適用してタンタルアルミニウム膜を作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、種々の部品等において、構成材料が同一で組成比の異なる第１及び第２の薄膜を作成する場合に広く適用することができる。
【００６０】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、基板及びターゲットの間隔を異ならせて構成材料の組成比を変化させることにより、一種類のターゲットを用いたスパッタリングにより、プリンタヘッドの発熱素子、耐キャビテーション層のように、構成材料が同一であって組成比が異なる薄膜を成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るプリンタヘッドの発熱素子及び耐キャビテーション層の作成の説明に供する略線図である。
【図２】図１のプリンタヘッドを示す断面図である。
【図３】図２のプリンタヘッドの製造手順を示す断面図である。
【図４】図３の続きを示す断面図である。
【図５】図４の続きを示す断面図である。
【図６】図５の続きを示す断面図である。
【図７】図６の続きを示す断面図である。
【図８】基板及びターゲット間の間隔と膜応力との関係を示す図表である。
【符号の説明】
１１……プリンタヘッド、１２……基板、２０……発熱素子、２６……耐キャビテーション層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a liquid discharge head and a method for forming a film, and can be applied to, for example, a thermal inkjet printer. According to the present invention, by changing the composition ratio of the constituent materials by changing the distance between the substrate and the target, the constituent materials are formed by sputtering using one type of target, such as a heating element of a printer head and an anti-cavitation layer. Thin films having the same composition ratio but different compositions can be formed.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, in the field of image processing and the like, there has been a growing need for hard copy colorization. To meet this need, conventionally, a color copy system such as a sublimation type thermal transfer system, a fusion thermal transfer system, an ink jet system, an electrophotographic system, and a thermally developed silver salt system has been proposed.
[0003]
Among these methods, the ink jet method is a method in which droplets of a recording liquid (ink) fly from nozzles provided in a printer head, which is a liquid ejection head, and adhere to a recording target to form dots. With this configuration, a high-quality image can be output. The ink jet system is classified into an electrostatic attraction system, a continuous vibration generation system (piezo system), and a thermal system according to the method of flying ink droplets from nozzles.
[0004]
Among these methods, the thermal method is a method in which bubbles are generated by local heating of ink, and the bubbles are used to push out ink from nozzles and fly to a print target, and it is possible to print a color image with a simple configuration. It has been made possible.
[0005]
In such a thermal print head, a heating element for heating the ink is formed integrally with a drive circuit of a logic integrated circuit for driving the heating element on a semiconductor substrate. Can be driven. Therefore, this type of printer head is manufactured by using a semiconductor manufacturing process, and the heating elements are tantalum (Ta) (170 to 180 [μΩ-cm]) and tantalum aluminum (TaAl) (270 to 280 [μΩ-cm). cm]) or tantalum nitride (TaNx) (270-280 [μΩ-cm]). In addition, silicon nitride Si ₃ N ₄ And a cavitation-resistant layer made of a β-tantalum layer (a tantalum layer having a tetragonal structure) is sequentially formed to provide an ink liquid chamber for holding ink.
[0006]
Where silicon nitride Si ₃ N ₄ The protective layer is also configured to function as an insulating interlayer film of a wiring layer that connects the heating element to a power supply and a drive circuit. On the other hand, the anti-cavitation layer absorbs and mitigates mechanical shock (cavitation) when bubbles generated in the ink liquid chamber are defoamed by driving the heating element, and furthermore, the ink held in the ink liquid chamber and the heating element To prevent direct contact with the ink, thereby preventing a chemical change of the resistor film due to the ink component.
[0007]
These silicon nitride Si ₃ N ₄ The thickness of the protective layer due to cavitation and the anti-cavitation layer due to β-tantalum layer can improve the reliability as a printer head, but when the thickness is increased, the heat of the heating element is efficiently conducted to the ink liquid chamber. No longer. Therefore, in general, silicon nitride Si ₃ N ₄ Is formed with a thickness of 0.15 to 0.16 [μm], and the anti-cavitation layer of β-tantalum layer is formed with a thickness of about 0.2 [μm]. I have.
[0008]
In the β-tantalum layer, the compressive stress is 1.0 to 2.0 × 10 ¹⁰ [Dynes / cm ² ], Which is a film having a high compressive stress. ₃ N ₄ In the protective layer formed by the silicon nitride layer and the anti-cavitation layer formed by the β-tantalum layer, ₃ N ₄ A strong stress is applied to the protective layer due to, and cracks may occur in the protective layer. When such a crack occurs, in the printer head, the ink in the ink liquid chamber enters from the crack, and the wiring pattern is short-circuited or the heating element is corroded and disconnected by the ink thus entered.
[0009]
For this reason, in JP-A-6-27713, when a cavitation-resistant layer made of a β-tantalum layer is formed with a thickness of 0.7 to 2.0 [μm], the stress of the cavitation-resistant layer is reduced to 1.0 × 10 ⁸ ~ 1.0 × 10 ¹⁰ [Dynes / cm ² ], And a method for preventing the occurrence of such cracks is disclosed.
[0010]
On the other hand, in Japanese Patent No. 2810759 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-80077, when the heating element is made of tantalum aluminum, the heating element is made in an amorphous state with the aluminum content being 40 to 60 [at%]. Has been made to be proposed.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-6-27713
[Patent Document 2]
Patent No. 2810759
[Patent Document 3]
JP 2001-80077 A
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in this kind of anti-cavitation layer, as in the case of the resistor film of the heating element, the β-tantalum layer is formed by sputtering. It was found that it was difficult to change the stress even with various settings, and it was impossible to completely prevent the occurrence of cracks depending on the desired film thickness.
[0013]
As a result of various studies, if the aluminum content is set to 30 [at%] or less and a cavitation-resistant layer made of tantalum aluminum having a structure in which aluminum exists between crystal grain boundaries of β-tantalum, the lower layer can be formed. It has been found that the stress on the protective layer can be reduced and the occurrence of cracks can be prevented.
[0014]
It is thought that if both the heating element and the anti-cavitation layer are made of tantalum aluminum, the manufacturing process of the printer head can be simplified accordingly.
[0015]
However, in this case, in the cavitation-resistant layer, it is necessary to make the content of aluminum not more than 30 [at%] so as to have a structure in which aluminum exists between the crystal grain boundaries of β-tantalum. In addition, it is necessary to make the aluminum content in an amorphous state with the content of aluminum being 30 to 60 [at%].
[0016]
As a result, even if both the heating element and the anti-cavitation layer are made of tantalum aluminum, when they are formed by sputtering, targets corresponding to the compositions of the heating element and the anti-cavitation layer must be prepared. There is a problem to be solved. That is, in the sputtering target, by mixing and sintering the powder of each material at a composition ratio according to the composition ratio of the film formation target, when the composition ratio of the film formation target is different, A dedicated target is required for forming the heating element and the anti-cavitation layer, respectively.
[0017]
As one method for solving this problem, it is conceivable to apply a so-called co-sputtering method. That is, in this case, two targets of tantalum and aluminum are prepared, and the amount of sputtering by each target is varied to form a tantalum aluminum film with a composition ratio required for the heating element and the anti-cavitation layer, respectively. It is believed that a common target can be used for the two depositions of the device and the anti-cavitation layer.
[0018]
However, in this co-sputtering method, dust is likely to be generated because two targets are sputtered at the same time, and generation of such dust is minimized in a manufacturing process of a printer head using a semiconductor manufacturing process. There must be.
[0019]
The present invention has been made in consideration of the above points, and a thin film having the same constituent material and a different composition ratio, such as a heating element of a printer head and an anti-cavitation layer, is formed by sputtering using one type of target. It is intended to propose a film forming method capable of forming a film, and a method of manufacturing a liquid discharge head using the film forming method.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the invention according to claim 1 is applied to a method of manufacturing a liquid ejection head that heats a liquid held in a liquid chamber by driving a heating element to eject liquid droplets from a predetermined nozzle. A protection element is provided on a heating element and a surface of the liquid chamber on the heating element side to protect the heating element by sputtering using a constituent material and a target having the same composition ratio of the constituent material and varying the distance to the target. The layers are formed with a desired composition ratio in which the constituent materials are the same and the composition ratios of the constituent materials are different.
[0021]
Further, in the invention of claim 5, a first thin film having a first composition ratio is formed on a predetermined substrate by sputtering using a predetermined target by applying the method to the film forming method, and the target and the constituent material and the structure are formed. A second composition that is different from the first composition ratio by sputtering using a target having the same composition ratio of the material and having a different distance between the substrate and the target as compared to sputtering in the first thin film. A second thin film is formed according to the ratio.
[0022]
In film formation by sputtering, when the distance between the target and the substrate is increased beyond a certain range, the content of the constituent material having a small mass is reduced due to the increase in the distance, and the film is formed. Thus, according to the configuration of claim 1, the method is applied to a method of manufacturing a liquid discharge head, and a heating element and a target are formed by sputtering using the same constituent material and the same composition ratio of the constituent material and varying the distance to the target. If a protective layer provided on the surface of the liquid chamber on the side of the heating element and protecting the heating element is formed with a desired composition ratio in which the constituent materials are the same and the composition ratios of the constituent materials are different, one type of target can be formed. It can be used to form a heating element and a protective layer having the same constituent material but different composition ratios.
[0023]
Further, according to the configuration of claim 5, the first and second thin films having the same constituent material and different composition ratios can be formed using one type of target.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
[0025]
(1) Configuration of the embodiment
FIG. 2 is a sectional view showing a printer head applied to the printer according to the embodiment of the present invention. The printer head 11 is formed by forming driving circuits, heating elements, and the like for a plurality of heads on a semiconductor wafer made of an N-type silicon substrate, and then performing scribing processing on each head chip to form an ink liquid chamber and the like on each head chip. Is done.
[0026]
That is, in the printer head 11, as shown in FIG. 3A, after cleaning the silicon substrate 12, a silicon nitride film is deposited, and an excess silicon nitride film is removed by a lithography process and a reactive ion etching process. As a result, a mask made of a silicon nitride film is formed in a region where the semiconductor elements 13 and 14 are formed. Further, by a subsequent thermal oxidation process, an element isolation region (LOCOS: Local Oxidation Of Silicon) 15 is formed in a portion other than the region where the semiconductor elements 13 and 14 are formed. In the element isolation region, a thermal silicon oxide film is formed with a film thickness of 500 [nm], the film thickness is reduced by a later etching process, and is finally formed with a film thickness of 260 [nm].
[0027]
After the element isolation region 15 is thus formed, the printer head 11 cleans the silicon substrate 12 and then forms a tungsten silicide / polysilicon / thermal oxide film gate in the transistor formation region. You. Further, a source / drain formation region is processed by an ion implantation step and a heat treatment step, whereby MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) type transistors 13, 14 and the like are formed. Here, the transistor 13 is a MOS driver transistor having a withstand voltage of about 18 [V], and is used for driving the heating element. On the other hand, the transistor 14 is a transistor constituting an integrated circuit for controlling the transistor 13 and operates at a voltage of 5 [V]. In this embodiment, a low-concentration diffusion layer is formed between the gate and the drain, and the transistor 13 is formed by securing the breakdown voltage by relaxing the electric field of electrons accelerated at that portion. ing.
[0028]
Subsequently, the printer head 11 sequentially includes a PSG (Phosphorus Silicate Glass) film, which is a silicon oxide film to which phosphorus is added by a CVD method, and a BPSG (Boron Phosphorus Silicate Glass) film, which is a silicon oxide film to which boron and phosphorus are added. The first interlayer insulating film 16 is formed with a film thickness of 600 [nm] by depositing with a film thickness of 100 [nm] and 500 [nm].
[0029]
Then, after the photolithography process, C ₄ F ₈ / CO / O ₂ A contact hole 17 is formed on the silicon semiconductor diffusion layer (source / drain) by reactive ion etching using a / Ar-based gas. Subsequently, after the printer head 11 is washed with dilute hydrofluoric acid, a titanium contact metal film (Ti) having a thickness of 30 [nm] and a nitrided oxide barrier metal film (TiON) having a thickness of 70 [nm] are formed by sputtering. And a titanium contact metal film (Ti) having a thickness of 30 [nm] is sequentially deposited. Further, aluminum added with 1 [at%] of silicon or aluminum added with 0.5 [at%] of copper is deposited to a thickness of 500 [nm], and a titanium nitride oxide film (TiON) as an anti-reflection film is deposited. Deposited at 25 [nm]. In the printer head 11, the first wiring pattern layer is formed by these, and the wiring pattern layer is patterned by a subsequent photolithography step and dry etching step to form a first wiring pattern 18. In the printer head 11, the logic type integrated circuit is formed by connecting the MOS transistors 13 and 14 constituting the drive circuit by the wiring pattern 18 of the first layer thus created.
[0030]
Subsequently, the printer head 11 is driven by TEOS (tetraethoxysilane: Si (OC ₂ H ₅ ) ₄ A silicon oxide film as an interlayer insulating film is deposited by the CVD method using () as a source gas. Subsequently, the printer head 11 applies a coating type silicon oxide film containing SOG (Spin On Glass) as an organic solvent, and then flattens the silicon oxide film by an etch-back process using a fluorine-based gas. The process is repeated twice to form a second-layer interlayer insulating film 19 for insulating the first-layer wiring pattern 18 and the subsequent second-layer wiring pattern from a silicon oxide film having a thickness of 440 [nm].
[0031]
Subsequently, in the printer head 11, as shown in FIG. 3B, after the resistor film is formed, the heating element 20 is formed by patterning the resistor film. In this embodiment, this resistor film is formed in an amorphous state with a composition ratio of tantalum and aluminum of 7: 3 by sputtering using a tantalum aluminum target. In this embodiment, a target having a composition ratio of tantalum and aluminum of 6: 4, which is the same as a target used when forming an anti-cavitation layer described later, is applied. Further, as shown in FIGS. 1A and 1B, a resistor film is formed by sputtering with the distance L between the target T and the substrate 12 set to 60 [mm] or less. Note that FIG. 1A is a schematic cross-sectional view illustrating a relationship between a substrate and a target in a sputtering apparatus.
[0032]
In other words, in sputtering using such an alloy target of tantalum aluminum, the mass is different between tantalum and aluminum, so that the sputtering rate is different between tantalum and aluminum. The content is smaller than that of the target. Specifically, in sputtering using a tantalum aluminum target having a composition ratio of 5: 5, a tantalum aluminum film having an aluminum content of about 40 [at%] is usually formed.
[0033]
The measurement result shown in FIG. 1B shows a composition ratio in a tantalum aluminum film formed by sputtering using a tantalum aluminum target with a composition ratio of 6: 4 (aluminum content is 40 [at%]). When the distance L between the substrate and the target is equal to or less than a certain value, the composition ratio becomes a constant value even when the distance L is changed. It was found that the content of aluminum on the side decreased with distance L. That is, when the distance L is 60 [mm] or 45 [mm], the tantalum aluminum film is formed with the composition ratio of tantalum and aluminum being 7: 3 (the aluminum content is 30 [at%]). When the distance L is 80 [mm], a tantalum aluminum film is formed at a composition ratio of tantalum and aluminum of 9: 1 (aluminum content is 10 [at%]).
[0034]
As a result, a tantalum aluminum film can be formed at a composition ratio suitable for a heating element by sputtering using a tantalum aluminum target having a composition ratio of 6: 4 with the distance L set to 60 [mm] or less. By using the target at a distance of 80 [mm], a tantalum aluminum film having a composition ratio suitable for the anti-cavitation layer can be formed. Note that the measurement of the composition ratio shown in FIG. 1B was performed by detecting characteristic X-rays generated by irradiating a sample with an electron beam by an electron probe microdetection method (EPMA).
[0035]
In this embodiment, the distance L between the substrate 12 and the target is set to 60 mm or less, and a resistor film is formed with a thickness of 50 to 100 nm by sputtering using the above-described target. . In this case, the DC power is 1 to 4 [kW], the substrate temperature is 150 to 250 ° C., the argon gas flow rate is 30 to 60 [sccm]. Was 250 to 280 [μΩ-cm]. Photolithography, BCl ₃ / Cl ₂ The heating element 20 is formed by patterning the resistor film thus formed in a square shape by dry etching using a system gas or in a folded shape in which one end is connected by a wiring pattern. When the resistor film is formed with a film thickness of 50 [nm], the resistance value of the square heating element 20 is 60 [Ω], and when the heating element 20 has a folded shape in which one end is connected by a wiring pattern, When the film thickness was made 80 [nm], the resistance value became 140 [Ω].
[0036]
Subsequently, in the printer head 11, as shown in FIG. 4C, silicon nitride having a thickness of 300 [nm] is deposited by a CVD method, and a protective layer 21 for protecting the heating element 20 is formed.
[0037]
Subsequently, as shown in FIG. 4D, photolithography processing and CHF ₃ / CF ₄ A via hole 22 is formed by opening a connection hole in the protective layer 21 by dry etching using an / Ar gas. At this time, in the heating element 20 of the printer head 11, the protection layer 21 is removed from the portion where the wiring pattern is connected.
[0038]
Subsequently, as shown in FIG. 5E, the printer head 11 deposits a titanium film (Ti) with a thickness of 200 [nm] by sputtering, and then adds aluminum [1% at. Is deposited to a thickness of 600 [nm], and a titanium nitride oxide film (TiON) as an anti-reflection film is deposited to a thickness of 25 [nm]. In the printer head 11, the second wiring pattern layer 23 is formed by these processes, and a subsequent photolithography process ₃ / Cl ₂ By a dry etching process using a system gas, as shown in FIG. 5F, the wiring pattern layer 23 is subjected to a patterning process to form a second-layer wiring pattern 24. In the printer head 11, the heating element 20 is connected to a power supply by the wiring pattern 24 of the second layer, and the heating element 20 is further connected to a drive circuit. In addition, the protection layer 21 of silicon nitride left on the heating element 20 also functions as a protection layer when forming these wiring patterns.
[0039]
Subsequently, in the printer head 11, as shown in FIG. 6 (G), silicon nitride is deposited to a thickness of 400 [nm] by the CVD method, whereby a protective layer 25 as an overcoat layer is formed on the heating element 20. Further deposited.
[0040]
Subsequently, the printer head 11 is subjected to a heat treatment at 400 ° C. for 60 minutes in a wafer heat treatment furnace in a nitrogen gas (forming gas) atmosphere containing 4% hydrogen or in a 100% nitrogen gas atmosphere. You. As a result, in the printer head 11, the operations of the transistors 13 and 14 are stabilized, and the connection between the first-layer wiring pattern 18 and the second-layer wiring pattern 24 is stabilized, so that the contact resistance is reduced.
[0041]
Subsequently, in the printer head 11, as shown in FIG. 7H, a cavitation-resistant layer is formed by sputtering. Here, in this embodiment, the distance L between the substrate 12 and the target is set to 80 [mm] by using an alloy target having a composition ratio of tantalum and aluminum of 6: 4 used for producing the heating element, Thus, the material layer of the cavitation-resistant layer is formed by the structure in which the composition ratio of tantalum and aluminum is 9: 1 and aluminum exists between the crystal grain boundaries of β-tantalum. The conditions other than the distance L between the target and the substrate 12 are set to the same conditions as in the above-described sputtering at the time of producing the heating element. Accordingly, in this embodiment, a heating element having the same material and a different composition ratio and a cavitation-resistant layer are formed by sputtering using the same target, and various processes such as simplification of process management are performed. It is made to be convenient.
[0042]
In this embodiment, the material layer of the anti-cavitation layer is formed to have a thickness of 100 to 200 [nm]. Further, as shown in FIG. 8 in which the distance L between the substrate 12 and the target is 45 [mm] and 60 [mm], respectively, in this material film, the film stress is 630 [MPa]. Met. In the case of β-tantalum, the film stress is a compressive stress of 980 [MPa]. Incidentally, the specific resistance was 170 to 180 [μΩ-cm].
[0043]
The printer head 11 is formed by a photolithography process, ₃ / Cl ₂ By a dry etching process using a system gas, the material layer of the anti-cavitation layer formed in this manner is patterned to form the anti-cavitation layer 26.
[0044]
As shown in FIG. 2, after the dry film 31 made of the organic resin is disposed by pressure bonding, the portion corresponding to the ink liquid chamber 34 and the ink flow path is removed, and the printer head 11 is thereafter cured. Thereby, a partition wall of the ink liquid chamber 34, a partition wall of the ink flow path, and the like are formed.
[0045]
Subsequently, after each chip is scribed, the nozzle plate 35 is laminated. Here, the nozzle plate 35 is a plate-like member processed into a predetermined shape so as to form a nozzle 36 which is a minute ink discharge port on the heating element 20, and is held on the dry film 31 by adhesion. Thus, the printer head 11 is formed by forming the nozzles 36, the ink liquid chambers 34, the ink flow paths for leading the ink to the ink liquid chambers 34, and the like.
[0046]
(2) Operation of the embodiment
In the above-described configuration, the printer head 11 is configured such that an element isolation region 15 is formed in an N-type silicon substrate 12 which is a semiconductor substrate, transistors 13 and 14 which are semiconductor elements are formed, and these transistors 13 and 14 are insulated by an insulating layer 16. , 14 are connected by a wiring pattern 18 to form a drive circuit. Further, the heating element 20 is formed via the insulating layer 19, and after the heating element 20 is connected to the drive circuit by the wiring pattern 24, the protection layer 25, the anti-cavitation layer 26, the ink liquid chamber 34, and the nozzle 36 are sequentially formed. (FIGS. 2 to 7).
[0047]
In the printer head 11, the ink is guided to the ink liquid chamber 34 created in this manner, and the ink held in the ink liquid chamber 34 is heated by the driving of the heating element 20 by the transistors 13 and 14 to generate bubbles. Then, the pressure inside the ink liquid chamber 34 rapidly increases due to the bubbles. In the printer, due to the increase in the pressure, the ink in the ink liquid chamber 34 jumps out of the nozzle 36 as ink droplets, and the ink droplets adhere to the target paper or the like. Further, a mechanical shock is generated due to the repeated generation and disappearance of such bubbles, and the heat generating element 20 is protected from the shock by the anti-cavitation layer 26 which is a protective layer provided on the side of the heat generating element 20 of the ink liquid chamber 34. , And even protected from ink.
[0048]
In the printer head 11, the anti-cavitation layer 26 is formed with a structure in which aluminum is present between crystal grain boundaries of β-tantalum with an aluminum content of 30 [at%] or less, thereby driving the heating element 20. In this case, it is possible to sufficiently secure the resistance to ink even in the case of repeating, and to prevent the occurrence of cracks in the protective layers 21 and 25 made of silicon nitride provided between the heating element 20 and the heating element 20. It has been made.
[0049]
Further, the heating element 20 is made of an amorphous tantalum aluminum film having an aluminum content of 30 to 60 at% so that sufficient reliability can be ensured even by repeated driving. I have. When a heating element is formed in this manner, increasing the content of aluminum can increase the specific resistance, which is desirable as a heating element.
[0050]
Further, in this way, the heating element 20 and the anti-cavitation layer 26 are formed from thin films having the same constituent material and different composition ratios, and the target is formed by sputtering using a target having the same constituent material and composition ratio. These thin films are formed at different distances. That is, in sputtering, in the range where the distance is equal to or less than a certain value, the film is formed with a constant composition ratio depending on the composition ratio of the target even if the distance is varied. As the content increases, the content of the light-weight constituent material decreases and a film is formed. Thus, in this embodiment, a heating element having the same constituent material but a different composition ratio and a cavitation-resistant layer can be formed by sputtering using one kind of target, and the process control It is possible to achieve the convenience and the like.
[0051]
(3) Effects of the embodiment
According to the above configuration, by changing the composition ratio of the constituent materials by changing the distance between the substrate and the target, the heating elements having the same constituent material and different composition ratios by sputtering using one type of target. , An anti-cavitation layer can be created.
[0052]
(4) Other embodiments
In the above-described embodiment, the case where the heating element and the anti-cavitation layer are formed with the composition ratios of 7: 3 and 9: 1, respectively, has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited thereto. It can be widely applied to the case.
[0053]
Further, in the above-described embodiment, the case where the heating element and the anti-cavitation layer are formed using the alloy target having the composition ratio of 6: 4 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the composition ratio is other than this composition ratio. The present invention can be widely applied to a case where a heating element and an anti-cavitation layer are formed using a target according to (1). By the way, if a target having a composition ratio of tantalum and aluminum of 5: 5 and a distance between the target and the substrate is set to 60 mm or less, the content of aluminum can be further increased to produce a heating element. it can.
[0054]
Further, in the above-described embodiment, in view of the fact that the composition ratio changes with respect to the distance between the target and the substrate, the case where the film is simply formed with a desired composition ratio has been described. As shown in FIG. 8, the film stress changes depending on the distance between the target and the substrate. By changing the film stress depending on the distance, a cavitation-resistant layer having a small film stress can be formed by utilizing this relationship. That is, in the tantalum aluminum film, when the interval is changed from 80 [mm] to 45 [mm], the film stress is sharply changed from 630 [MPs] to 90.5 [MPs]. As a result, the anti-cavitation layer is formed as a laminated structure of a first tantalum aluminum film formed by sputtering at an interval of 45 mm and a second tantalum aluminum film formed by sputtering at an interval of 80 mm. One tantalum aluminum film can be used as a stress relaxation layer.
[0055]
In the above-described embodiment, the case where the heating element is sputtered in a range in which the composition ratio does not change even when the distance is changed has been described. However, the present invention is not limited to this, and the aluminum content is further increased. Using the target thus formed, both the heating element and the anti-cavitation layer may be sputtered in a range in which the composition ratio changes with a change in distance.
[0056]
In the above embodiment, the case of forming a tantalum aluminum film has been described. However, the present invention is not limited to this, and can be widely applied to the case of forming a thin film other than a tantalum aluminum film.
[0057]
Further, in the above-described embodiment, the case where a thin film is formed with two kinds of constituent materials of tantalum and aluminum has been described. However, the present invention is not limited to this, and the case where a thin film is formed with three or more kinds of constituent materials. Can also be widely applied.
[0058]
Further, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to the printer head to eject ink droplets has been described. However, the present invention is not limited to this, and instead of ink droplets, various dye droplets, A liquid ejection head that ejects droplets for forming a protective layer, a microdispenser in which droplets are reagents, various measuring devices, various testing devices, and various patterns in which droplets are agents that protect members from etching. It can be widely applied to drawing apparatuses and the like.
[0059]
Further, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to a printer head to form a tantalum aluminum film has been described. However, the present invention is not limited to this. The present invention can be widely applied to the case where first and second thin films having different ratios are formed.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by changing the composition ratio of the constituent materials by changing the distance between the substrate and the target, the sputtering using a single type of target allows the heating element of the printer head and the anti-cavitation layer to be formed. As described above, thin films having the same constituent materials but different composition ratios can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the creation of a heating element and an anti-cavitation layer of a printer head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing the printer head of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a procedure for manufacturing the printer head of FIG.
FIG. 4 is a sectional view showing a continuation of FIG. 3;
FIG. 5 is a sectional view showing a continuation of FIG. 4;
FIG. 6 is a sectional view showing a continuation of FIG. 5;
FIG. 7 is a sectional view showing a continuation of FIG. 6;
FIG. 8 is a table showing a relationship between a distance between a substrate and a target and a film stress.
[Explanation of symbols]
11 printer head, 12 substrate, 20 heating element, 26 anti-cavitation layer

Claims

In a method for producing a liquid ejection head for heating a liquid held in a liquid chamber by driving a heating element and ejecting a droplet of the liquid from a predetermined nozzle,
Constituent material and the composition ratio of the constituent material using the same target, by sputtering at different distances to the target,
The heating element, a protective layer provided on a surface of the liquid chamber on the heating element side to protect the heating element,
A method for producing a liquid discharge head, wherein the liquid ejecting head is produced with a desired composition ratio in which the constituent materials are the same and the composition ratios of the constituent materials are different.

By increasing the distance to the target in the protective layer as compared to the distance to the target in the heating element,
2. The method according to claim 1, wherein the protective layer is formed by reducing the content of a light-weight constituent material among constituent materials of the heating element. 3.

3. The method according to claim 2, wherein a distance of the heating element to the target is set in a range in which a composition ratio of the heating element does not change even if the distance is changed. 4.

The constituent material is tantalum and aluminum,
The composition ratio of the heating element is a composition ratio of the aluminum content of 30 to 60 at%;
2. The method according to claim 1, wherein the composition ratio of the protective layer is such that the content of the aluminum is 30 [at%] or less.

Forming a first thin film with a first composition ratio on a predetermined substrate by sputtering using a predetermined target;
The sputtering using the same target and the composition ratio of the constituent material and the constituent material is the same target, and the sputtering is performed by changing the distance between the substrate and the target as compared with the sputtering in the first thin film, A film forming method, comprising: forming a second thin film having a second composition ratio different from the first composition ratio.